基于VADL 的8 路搶答器的設計與仿真

鄒毅軍

（湖北工業大學工程技術學院，湖北 武漢 430000）

隨著電子技術的高速發展，EDA（Electronics Design Automation）技術應運而生。電子系統設計者們可以利用EDA 技術，采用“自頂而下”的設計方法，在集成開發環境QuartusII 16.0 內，使用ⅤHDL 語言（ Ⅴery-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language），將電路的硬件設計轉化為軟件設計[1]。

搶答器在眾多場景中均有使用，如電視臺智力問答節目、學校組織活動，它是重要的基礎設備之一。目前設計搶答器的傳統方法非常多，如74LS192 芯片設計，基于52 系列單片機設計等。但傳統方法在設計上不夠簡潔明了，電路可靠性較低。本文以計算機為平臺，以5CSEMA5F31C6N 芯片為載體，使用ⅤHDL語言設計出的搶答器，代碼簡潔明了、使用穩定、可擴展性強。

1 簡介

1.1 VHDL 語言

ⅤHDL 語言即“超高速集成電路硬件描述語言”，該語言最早在1982 年由美國軍方開發出來。

使用ⅤHDL 語言的優點如下：①語法簡單。它類似于一般的計算機高級語言，容易學習，減少設計在使用過程中的錯誤與開發使用的時間。②泛用性強。ⅤHDL 語言已成為一種電子設計文本輸入標準，可以在多種開發工具上使用。

1.2 QuartusII 16.0

QuartusII 16.0 是由Altera 公司出品的第四代PLD（Programable Logic Device）開發平臺，它的兼容性強，接口直觀易用，編譯速度快，廣受系統設計者的喜愛[2]。

1.3 5CSEMA5F31C6N 芯片

5CSEMA5F31C6N 芯片由Altera 公司出品，有896個引腳，用戶可供自定義的I/O 引腳多。

2 實現功能與設計思路

2.1 8 路搶答器功能

8 路搶答器功能框圖如圖1 所示。本設計以競賽為例，其功能如下：①8 路搶答器需要滿足8 位選手各控制一個按鍵進行搶答，故分別記為key0，key1……key7。②主持人需要對搶答器進行控制，如開始搶答與清零。將清零設為rst，開始搶答鍵設為key_start。③在主持人按下開始搶答鍵后，選手開始搶答。在一名選手按下搶答按鍵key0，key1……key7 中的任意按鍵后，數碼管顯示該選手的號碼，對應號碼的LED 燈亮起。其余選手按下按鍵無反應。④在主持人按下清零鍵rst 后，下一次搶答重新開始。

圖1 8 路搶答器功能框圖

2.2 搶答器系統原理

搶答器系統原理框圖如圖2 所示。根據上述設計的思路與要求，可將該搶答器分為4 個部分：①時鐘發生器部分。一個50 MHz 的時鐘源給予CLK 信號。②控制部分。該部分讓搶答器開始搶答。③判斷部分。該部分是該搶答器的核心部分，可以判斷是否有選手按下按鍵，并在第一個選手按下按鍵后停止。④顯示部分。該部分在選手按下按鍵后會將選手的號碼顯示在數碼管上，并將對應的LED 燈點亮。

圖2 搶答器系統原理框圖

3 搶答器的VHDL 設計

3.1 VHDL 實體部分

在端口部分共設計了11 個輸入端口、15 個輸出端口。輸入端口包括1 個時鐘發生器、8 個搶答按鍵、1個開始按鍵、1 個清零按鍵。輸出端口包括1 個數碼管、8 個LED 燈。

3.2 VHDL 構造體部分

構造體部分以時鐘信號、開始與復位按鍵、搶答按鍵為敏感信號，當敏感信號變化后，激活程序，順序執行語句。

3.3 搶答器整體VHDL 代碼

3.4 波形仿真

對于一次設計，波形仿真是很有必要的，它可以在下載寫入開發板前找出問題。8 路搶答器波形仿真如圖3 所示。

圖3 8 路搶答器波形仿真圖

4 結束語

本文通過集成開發環境QuartusII 16.0，使用ⅤHDL 語言設計了8 路搶答器并實現了搶答器的功能。在使用ⅤHDL 語言進行編程后，使選擇器的代碼簡潔靈活、易于看懂，降低了設計的難度。通過這個實例可以看出，ⅤHDL 語言是自上而下進行設計的，設計方便快捷。